第2講AC-DC變換及其應(yīng)用

1、第第2講講 AC/DC變換及其應(yīng)用變換及其應(yīng)用一、整流電路拓?fù)湟?、整流電路拓?fù)淙⒄麟娐返挠性茨孀児ぷ鳡顟B(tài)三、整流電路的有源逆變工作狀態(tài)二、大功率可控整流電路二、大功率可控整流電路 四、晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)四、晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)五、整流電路的諧波和功率因數(shù)五、整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路（整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流電路由變壓器、整流主電路主電路和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)和濾波器等組成。它在直流電動機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到

2、廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。器和變壓器組成。20世紀(jì)世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離。間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔

3、離。dudi2uwtp2pdudi2uwtp2pduwtp2pdudi2uwtp2p180 90180180180180TVTRu1u2uVTidudqudwtwtdu單相整流單相整流一、整流電路拓?fù)湟?、整流電路拓?fù)淅?三相整流電路拓?fù)淙嗾麟娐吠負(fù)淙喟氩煽卣魅喟氩煽卣魅鄻蚴娇煽卣魅鄻蚴娇煽卣饕?、整流電路拓?fù)湟?、整流電路拓?fù)淙鄻蚴娇煽卣麟娐防?22.34cos0514.8VdUU 36.5AdMdUEIR1321.1AVTdII22.45539VDRMUU(1.5 2)20.1 26.9A1.57VTNII(2 3)10781617VNDRMUU選選1500V/3

4、0A晶閘管晶閘管6只只二、大功率可控整流電路二、大功率可控整流電路 采用相同器件時(shí)可達(dá)到更大的功率。采用相同器件時(shí)可達(dá)到更大的功率。 減少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)，減少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因數(shù)， 減小對供電電網(wǎng)的干擾。減小對供電電網(wǎng)的干擾。適用于適用于低電壓低電壓、大電流大電流的場合的場合2.1 2.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。接平衡電抗器的原因：接平衡電抗器的原因：電源電壓瞬時(shí)值不相等，用 Lp平衡電流平衡電流兩個(gè)中點(diǎn)n1、n2間的電壓等于ud1和ud2之差。加在Lp

5、上，產(chǎn)生電流ip，通過兩組星形自成回路，不經(jīng)負(fù)載，稱為環(huán)流環(huán)流或。為了使兩組電流平均分配，Lp值應(yīng)足夠大，以限制環(huán)流在負(fù)載額定電流的1%2%以內(nèi)。帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路原理分析原理分析： 平衡電抗器Lp承擔(dān)了n1、n2間的電位差，它補(bǔ)償了ub和ua的電動勢差，使得ub和ua兩相的晶閘管能同時(shí)導(dǎo)電。d1d2puuu)(212121d2d1pd1pd2duuUuuuuwupud1,ud2OO60 360 wt1wttb)a)uaubucucuaubub整流電壓平均值為: Ud=1.17 U2 cos 與三相橋式電路比較得：三相橋?yàn)閮山M三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需

6、用平衡電抗器。當(dāng)U2相等時(shí)，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是單相橋的2倍。兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣，ud和id的波形形狀一樣。2.2 2.2 多重化整流電路多重化整流電路概述： 整流裝置功率進(jìn)一步加大時(shí)，所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路。原理： 按照一定的規(guī)律將兩個(gè)或更多的相同結(jié)構(gòu)的整流電路 進(jìn)行組合得到。目標(biāo)： 移項(xiàng)多重聯(lián)結(jié)減少交流側(cè)輸入電流諧波，串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高功率因數(shù)。 多重化整流電路多重化整流電路1) 移相多重聯(lián)結(jié)移相多重聯(lián)結(jié)并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路有并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)?？蓽p

7、少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器。使用平衡電抗器平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路脈波整流電路。 多重化整流電路多重化整流電路 移相移相30 構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路電流波形 變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法，相差30 構(gòu)成12脈波整流電路。星形三角形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id13將整流變壓器的二次繞組移相

8、將整流變壓器的二次繞組移相20 ，可構(gòu)成，可構(gòu)成 串聯(lián)串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路將整流變壓器的二次繞組移相將整流變壓器的二次繞組移相15 ，可構(gòu)成，可構(gòu)成 串聯(lián)串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路-24脈波整流電路脈波整流電路三、整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三、整流電路的有源逆變工作狀態(tài) 1、逆變的概念逆變的概念1) 什么是逆變？為什么要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。有源逆變與無源逆變區(qū)別有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。 應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。無源逆變電路變流電路的交流側(cè)不接電網(wǎng)，而接負(fù)載有源

9、逆變電路-可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)的成為變流電路變流電路。2) 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)直流發(fā)電機(jī)電動機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動勢同極性EG EM b）兩電動勢同極性EM EG c）兩電動勢反極性，形成短路 電路過程分析。 兩個(gè)電動勢同極性相接時(shí)，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動勢間交換很大的功率。逆變的概念逆變的概念3) 逆變產(chǎn)生的條件逆變產(chǎn)生的條件單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī) 單相全波電路的整流和逆變交流電網(wǎng)輸出電功率電動機(jī)輸出電功率a)b)u10udu20u10O

10、OwtwtIdidUdEMu10udu20u10OOwtwtIdidUd /2，使Ud為負(fù)值。p半控橋或有續(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動勢，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。什么電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變？什么電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變？2 2、三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)、三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)逆變和整流的區(qū)別逆變和整流的區(qū)別：控制角 不同 0 p p /2 時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。 p p /2 p p /2時(shí)的控制角用pp = b b表示，b b 稱為逆變角逆變角。 逆變角b b和控制角 的計(jì)量方向相反，其大小自b =

11、0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。 交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響交流側(cè)電抗對逆變換相過程的影響當(dāng)b g 時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶時(shí)，換相結(jié)束時(shí)，晶閘管能承受反壓而關(guān)斷。閘管能承受反壓而關(guān)斷。若若b g ，該通的，該通的VTVT2 2關(guān)斷關(guān)斷, ,應(yīng)關(guān)的應(yīng)關(guān)的VTVT1 1不能關(guān)斷不能關(guān)斷, ,最終導(dǎo)致逆變失敗最終導(dǎo)致逆變失敗 udOOidwtwtuaubucuaubpbgb giVT1iVTiVT3iVTiVT3223 3、逆變失敗與最小逆變角的限制、逆變失敗與最小逆變角的限制換相重疊角的影響：換相重疊角的影響：觸發(fā)電路工作不可靠，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等。觸發(fā)電路工作不可靠，如脈沖丟失、脈沖延時(shí)等。晶閘管發(fā)生

12、故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。晶閘管發(fā)生故障，該斷時(shí)不斷，或該通時(shí)不通。交流電源缺相或突然消失。交流電源缺相或突然消失。換相的裕量角不足，引起換相失敗。換相的裕量角不足，引起換相失敗。 1 1）逆變失敗的原因）逆變失敗的原因逆變時(shí)，一旦換相失敗，使得逆變時(shí)，一旦換相失敗，使得U Ud d 0,0,形成極大短路形成極大短路電流電流逆變失敗逆變失敗（逆變顛覆）（逆變顛覆）d d 晶閘管的關(guān)斷時(shí)間晶閘管的關(guān)斷時(shí)間t tq q折合的電角度約折合的電角度約4 4 5 5 g g 換相重疊角換相重疊角 15200q q安全裕量角安全裕量角主要針對脈沖不對稱程度，其值約取主要針對脈沖不對稱程度，其值約取1

13、010 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制2) 2) 確定最小逆變角確定最小逆變角b bmin的依據(jù)的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角逆變時(shí)允許采用的最小逆變角b b 應(yīng)等于應(yīng)等于b bmin=d d +g g+q q整流電壓 整流電流變壓器容量短路電壓比Uk%g g220V800A240kV。A5%1520參照整流時(shí)參照整流時(shí)g g 的計(jì)算方法的計(jì)算方法mUXIBdpgsin2)cos(cos2b bmin一般取一般取29 35 g g 換相重疊角的確定：換相重疊角的確定：查閱有關(guān)手冊查閱有關(guān)手冊,舉例如下：舉例如下：3）有源逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)算：）有源逆變狀態(tài)時(shí)各電量的計(jì)

14、算：REUIdbbcos35. 1cos34. 222UUUd每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2p p/3，故流過晶閘管的電流有效值為：ddVTIII577. 03從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：dMddIEIRP2在三相橋式電路中，變壓器二次側(cè)線電流的有效值為：ddVTIIII816.03222 四、晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)電動機(jī)負(fù)載時(shí)整流電路的工作情況。電動機(jī)負(fù)載時(shí)整流電路的工作情況。由整流電路供電時(shí)電動機(jī)的工作情況。由整流電路供電時(shí)電動機(jī)的工作情況。晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動機(jī)系統(tǒng)可控整流裝置帶直流電動機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)?？煽卣餮b置帶直流電動機(jī)負(fù)載組成的系統(tǒng)。電力拖動系統(tǒng)中的一種，整流的用途之一

15、。電力拖動系統(tǒng)中的一種，整流的用途之一。引言引言研究研究 通常在電樞回路串聯(lián)一平波電通常在電樞回路串聯(lián)一平波電抗器，保證整流電流在較大范抗器，保證整流電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)。圍內(nèi)連續(xù)。接反電動勢負(fù)載時(shí)接反電動勢負(fù)載時(shí),負(fù)載電流斷續(xù)負(fù)載電流斷續(xù),對對整流電路和電動機(jī)工作均不利整流電路和電動機(jī)工作均不利udOidwtuaubucudOiaibicicwtEUdidR三相半波帶電動機(jī)負(fù)載且三相半波帶電動機(jī)負(fù)載且加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形加平波電抗器時(shí)的電壓電流波形工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)工作于整流狀態(tài)時(shí)UIREUdMdp23BMBXRRR系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)：電流連續(xù)工作狀態(tài)系統(tǒng)的兩種工作狀態(tài)

16、：電流連續(xù)工作狀態(tài) 電流斷續(xù)工作狀態(tài)電流斷續(xù)工作狀態(tài)晶閘管壓降晶閘管壓降電樞電阻電樞電阻T電阻電阻電動機(jī)反電勢電動機(jī)反電勢 式中式中 整流電路中整流電路中T漏抗漏抗edeCUIRCUncos34. 22三相半波電流連續(xù)時(shí)以三相半波電流連續(xù)時(shí)以電流表示的電動機(jī)機(jī)械特性電流表示的電動機(jī)機(jī)械特性 機(jī)械特性是一組平行直線機(jī)械特性是一組平行直線, ,斜率取決于內(nèi)阻斜率取決于內(nèi)阻 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 角，即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。角，即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。Ona1a2a3a3a2a1Id(RB+RM+ )IdCe3XB2p轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為轉(zhuǎn)速與電流的機(jī)械特性關(guān)系式為1) 1) 電流連續(xù)電流連續(xù) 在電機(jī)學(xué)在電

17、機(jī)學(xué)中中nCEeM可根據(jù)整流電路電壓平衡方程式得可根據(jù)整流電路電壓平衡方程式得UIRUEdMcos34. 22電流斷續(xù)時(shí)電動勢的特性曲線電流斷續(xù)時(shí)電動勢的特性曲線 理想空載轉(zhuǎn)速抬高。理想空載轉(zhuǎn)速抬高。 機(jī)械特性變軟機(jī)械特性變軟 隨著隨著 的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大的增加，進(jìn)入斷續(xù)區(qū)的電流值加大斷續(xù)區(qū)特性的近似直線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)EE0E0OIdminId(0.585 U2)( U2)2Oa3a2a1Id分界線斷續(xù)區(qū)連續(xù)區(qū)a5a4E0E電流斷續(xù)時(shí)不同 時(shí)反電動勢的特性曲線 1 a 2 a 3 a 460 工作于整流狀態(tài)時(shí)電流斷續(xù)電流斷續(xù) 機(jī)械特性特點(diǎn)：機(jī)械特性特點(diǎn)：2) 2) 電流斷續(xù)電流斷續(xù)負(fù)

18、載減小時(shí)，電感儲能減小負(fù)載減小時(shí)，電感儲能減小電流不再連續(xù)，特性呈現(xiàn)出非線性電流不再連續(xù)，特性呈現(xiàn)出非線性bcos0ddUUME)cos(0RIUEddMb)cos(10RIUCnddeb電動機(jī)在四象限中的機(jī)械特性正組變流器反組變流器n321Id4b2b3b4b1 =b =p2 =b =p2b3b2b1b423411=b 1; 1=b12=b 2; 2=b2 增大方向b 增大方向 增大方向b 增大方向工作于有源逆變狀態(tài)時(shí)1) 電流連續(xù)時(shí)機(jī)械特性電流連續(xù)時(shí)機(jī)械特性 因EM=Cen，得機(jī)械特性方程：RIEUdMd機(jī)械特性由 決定逆變時(shí) 逆變電流斷續(xù)，與整流時(shí)相似：逆變電流斷續(xù)，與整流時(shí)相似： 空載

19、轉(zhuǎn)速上翹空載轉(zhuǎn)速上翹, ,特性變軟特性變軟, ,呈非線性呈非線性 逆變狀態(tài)的特性是整流狀態(tài)的延續(xù)逆變狀態(tài)的特性是整流狀態(tài)的延續(xù) 控制角控制角 變化時(shí)，機(jī)械特性得變化。變化時(shí)，機(jī)械特性得變化。 第第1 1、4 4和和3 3、2 2象限中特性分屬兩組變象限中特性分屬兩組變流器，輸出的流器，輸出的U Ud d極性相反，故標(biāo)以正極性相反，故標(biāo)以正組和反組變流器組和反組變流器直流可逆電力拖動系統(tǒng)五、整流電路的諧波和功率因數(shù)五、整流電路的諧波和功率因數(shù) 電力電子技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，由此帶來的諧波(harmonics)和無功(reactive power)問題日益嚴(yán)重?zé)o功的危害：導(dǎo)致設(shè)備容量增加。使設(shè)備和線路

20、的損耗增加線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動。諧波的危害：降低設(shè)備的效率。影響用電設(shè)備的正常工作。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作。對通信系統(tǒng)造成干擾。1） 諧波諧波 對于非正弦波電壓，滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數(shù)：基波（fundamental）+諧波n次諧波電流含有率（Harmonic Ratio for In） %1001IIHRInn%1001IITHDhi正弦波電壓可表示為：)sin(2)(utUtuw電流諧波總畸變率（Total Harmonic distortion） 諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ)2） 功率因數(shù)功率

21、因數(shù)正弦電路中的情況有功功率有功功率：cosPUI視在功率視在功率: S=UI 功率因數(shù)功率因數(shù)l PSl222QPS不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有實(shí)際意義不考慮電壓畸變，研究電壓為正弦波、電流為非正弦波的情況有實(shí)際意義無功功率無功功率： Q=U I sin 非正弦電路非正弦電路 ： P=U I1 cos 1 11111coscoscoslIIUIUISP 基波因數(shù)基波因數(shù)v =I1 / I，即基波電流有效值和總電流有效值之比 位移因數(shù)位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）cos 1功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變決定功率因數(shù)由基波電流相移和電流波形畸變決定功率因數(shù)功率因數(shù)：諧波和無功功率分析基礎(chǔ)諧波和無功功率分析基礎(chǔ)P、Q、S定義同正弦電路定義同正弦電路非正弦電路的非正弦電路的Q定義很多，尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威定義定義很多，尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威定義 22PSQ一種簡單的定義是一種簡單的定義是 單相全控橋單相全控橋- -交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析阻感負(fù)載- L足夠大2411(sinsin 3sin 5)35iItttwwwpdpnII